Ciencia de los materiales. Guía 3 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 3 1 Tema: EL ENSAYO DE DUREZA: SU NATURALEZA Y USO Contenidos Ensayo de dureza Objetivos Objetivo general: Ejecutar el procedimiento para la toma de durezas de diferentes materiales. Objetivos específicos 1.- Definir el término dureza y la forma de determinarla 2.- Indicar el procedimiento para la toma de dureza 3.- Mencionar las diferentes clases de durómetros y sus escalas 4.- Determinar la equivalencia entre escalas y tipos de dureza 5.- Determinar la resistencia a la tensión de un material a partir de los datos de dureza 6.- Mencionar las ventajas y desventajas de medir la dureza de un material versus efectuar un ensayo de tensión para determinar las propiedades de un material. Materiales y Equipo - Material y equipo - Durómetro universal - Indentadores punta de diamante y de bola - 7 Muestras metálicas en estado de entrega Tabla 1 lista de materiales. ITEM Cantidad Designación 1 1 Pieza cilíndrica de acero AISI 1020 de 1 X 3/4 L 2 1 Pieza cilíndrica de acero AISI 1045 de 1 X 3/4 L 3 1 Pieza cilíndrica de acero AISI 4340 de 1 X 3/4 L 4 1 Pieza cilíndrica de acero AISI 01 de 1 X 3/4 L 5 1 Pieza cilíndrica de acero AISI 304 de 1 X 3/4 L 6 1 Pieza cilíndrica de aluminio AISI 6061 1 X 3/4 L 7 1 Pieza cilíndrica de bronce fosfórico 1 X 3/4 L 8 1 Pliego de lija # 300
Ciencia de los materiales. Guía 3 2 Marco Teórico El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a ser penetrada por un objeto duro. Existe una diversidad de pruebas de dureza, son de uso común los ensayos Brinell y Rockwell (fig. 1) El ensayo de dureza Brinell utiliza una esfera de acero endurecido (por lo general de 10 mm de diámetro, aunque hay otros diámetros) colocada en un indentador (penetrador), la bola se oprime, aplicándole una fuerza previamente establecida, contra la superficie del material al cual se le quiere conocer la dureza. Se retira el penetrador y se mide con una lupa especial el diámetro de la impresión (huella) dejada por la bola, ésta generalmente mide entre 2 y 6 mm, y con esta medida se calcula el número de dureza Brinell (ó índice de dureza) simbolizado por HB ó BHN, por medio de la siguiente ecuación: HB = Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro de la bola y D 1 es el diámetro de la huella, ambas en mm. El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales duros. En este ensayo no se mide el diámetro de la huella, sino su profundidad, el aparato lo hace automáticamente y por medio de un instrumento de carátula se lee directamente la dureza Rockwell (HR). Existe una diversidad de cargas que se pueden aplicar y varios indentadores de bola (diferente diámetro), además del indentador de diamante. Cada combinación de carga e indentador genera una escala de durezas diferentes, tal como se muestra en la tabla. Cada escala tiene sus aplicaciones, por ejemplo la escala C (Dureza HRC) se utiliza para aceros endurecidos. Si se quiere medir la dureza del aluminio, se utilizará la escala F (HRF). Con otras escalas es posible tomar la dureza de materiales tan duros como las cerámicas o tan blandos como los polímeros (plásticos). Existen otros tipos de ensayo tales como el Vickers (HV) y el Knoop para pruebas donde es necesario que la huella sea lo más pequeña posible, ya sea porque el material es muy delgado o porque en alguna investigación se necesite medir la dureza de alguna microestructura. A estas se le conoce como pruebas de microdureza, no se debe de pensar que la dureza es muy pequeña ya que el término se refiere al tamaño de la huella y para medirse la huella se necesita de microscopios.
Ciencia de los materiales. Guía 3 3 Tabla 1: Resumen ensayos de dureza Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales, de sus especificaciones para su manufactura y tratamientos térmicos, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. Por ejemplo la dureza Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación siguiente: Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB Se puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin preparar ni destruir el componente; y obteniéndose una buena aproximación a la resistencia a la tensión. La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza para fragmentar o moler mineral debe ser muy duro para asegurarse que no se desgastará o sufrirá abrasión de los materiales con los que está en contacto. De manera similar los dientes de los engranes de transmisión en el sistema impulsor de un vehículo deberán ser lo suficientemente duros para que soporten el rozamiento sin desgastarse.
Ciencia de los materiales. Guía 3 4 Figura 2: Comparación de varias escalas de dureza
Ciencia de los materiales. Guía 3 5 Figura 3: Relación entre dureza y la resistencia a la tensión para latones y fundición de hierro esferoidal. aceros, Como se observa en la figura 3, la resistencia a la tensión y la dureza son proporcionales en ciertos rangos de valores y cualquiera de los dos ensayos puede dar una idea de la resistencia a la deformación de tales materiales. Las relaciones en los aceros son las siguientes: Resistencia a la tensión en psi: σ = 500 HB Resistencia a la tensión en megapascales (MPa): σ = 3.45 HB Los ensayos de dureza se utilizan con mayor frecuencia que otros ensayos por varias razones, entre ellas: 1.- Son sencillos y baratos, y ordinariamente no es necesario prepara una muestra especial.
Ciencia de los materiales. Guía 3 6 2.- El ensayo no es destructivo, no es necesario fracturar la muestra, ni deformarla excesivamente, la única deformación resultante es una pequeña huella. 3.- Otras propiedades mecánicas se pueden estimar a partir del resultado del ensayo de dureza. VARIABILIDAD DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Las propiedades de los materiales no tienen valores exactos. Aunque tuviéramos los instrumentos de medida más precisos y un procedimiento completamente controlado siempre tendríamos dispersión y variabilidad de los resultados en diferentes muestras de material. Muchos factores producen esa variabilidad, entre ellos el método de ensayo, las variaciones en el proceso de fabricación del material y de las probetas (muestras), la acción del operador, la calibración del aparato de medida, entre otras. Además dentro del mimo material existen partes no homogeneas y ligeras diferencias en composición de un punto a otro y de un lote de material a otro. Desde luego, deben tomarse todas las precauciones para minimizar errores en las medidas, así como minimizar aquellos factores que generan la variabilidad en lo resultados. Es importante que el ingeniero se dé cuenta de que esta dispersión y variabilidad de las propiedades de los materiales es inevitable y deben considerarse de forma apropiada. En algunas ocasiones los datos deben ser tratados de forma estadística y deben determinarse probabilidades. Por ejemplo, en lugar de preguntarse Cual es la resistencia a la rotura de esta aleación?, debería acostumbrase a preguntar Cuáles la probabilidad de rotura de esta aleación en determinadas circunstancias? A pesar de la variación en las propiedades medidas, es conveniente especificar un valor típico. Frecuentemente el valor típico se toma como el promedio de los valores experimentales. Estos se obtienen dividiendo la suma de todos los valores medidos por el número de medidas. PPROCEDIMIENTO PARA MEDIR LA DUREZA DE UNA MUESTRA METALICA EN UN DURÓMETRO ROCKWELL 1.- Investigar la dureza aproximada de los materiales proporcionados, tanto en estado de suministro como con los tratamientos térmicos a los que se le han sometido. 2.- Seleccionar el indentador (penetrador) según la dureza investigada. 3.- La probeta debe de tener las caras superior e inferior planas (finamente lijadas) y paralelas, para asentarla correctamente sobre la base del durómetro y tomar adecuadamente la dureza. 4.- Regular la altura de la base del durómetro de tal manera que contacte ligeramente la punta del indentador. 5.- Girar la base del durómetro hasta que la aguja pequeña de la caratula del durómetro llegue al punto rojo. Esta es la aplicación de la precarga. 6.- Bajar lentamente la palanca para aplicar la carga principal. En cierto momento, la palanca se moverá automáticamente y puede soltarla. 7.- Esperar de 20 a 40 segundos para que se produzca la fluencia completa. 8.- Retirar lentamente la carga por medio de la palanca. 9.- Esperar que se estabilice la aguja grande de la caratula y leer en la escala correspondiente. 10.- Bajar la base del durómetro y retirar la muestra 11.- Repetir dos veces más el procedimiento, teniendo el cuidado de hacerla a una distancia de 5 veces el diámetro de la indentación de cualquier otra huella. 12.- Calcular el promedio de dureza
Ciencia de los materiales. Guía 3 7 Procedimiento 1.- Se procederá a tomar la prueba de dureza a una muestra de cada tipo de acero y se completará la siguiente tabla Tabla 2: Lecturas de dureza Tipo de Dureza Dureza Dureza dureza Resistencia a la material 1 2 3 promedio tensión Acero AISI 1020 Acero AISI 1045 Acero AISI 4340 Acero AISI 304 Aluminio 6061 Bronce fosfórico AISI 2.- Se investigará en internet o en empresas que distribuyen los materiales mencionados la dureza en estado de entrega de los materiales citados y se comparará con los datos obtenidos en el laboratorio, Indique claramente su fuente de información. Mencione las posibles causas de las diferencias. Tabla 3: Comparación de durezas Tipo de material Dureza promedio Dureza investigada % de medida diferencia Acero AISI 1020 Acero AISI 1045 Acero AISI 4340 Acero AISI 304 Aluminio AISI 6061 Bronce fosfórico Bibliografía 1) Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición
Ciencia de los materiales. Guía 3 8 2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. 4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura. México D. F. Limusa. 5) www.steel.org/ 6) www.sae.org/ 7) www.astm.org/ 8) www.matweb.com/ 9) http://asminternational.org Rúbricas para este laboratorio Aspecto a evaluar: Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas las partes deberán ser legibles Objetivos y Procedimiento abreviado Puntaje obtenido/puntaje máximo Requisito Requisito Examen previo (individual) 30 Mediciones efectuadas y Tablas de datos Cálculos efectuados correctamente Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y concisa. Requisito Requisito 30 35 Requisito No lleva gabacha (individual) - 10 Cálculos erróneos - 10 No lleva guía de laboratorio (individual) - 10 No colabora o se comporta indebidamente (individual) - 10 5 Comentarios
Ciencia de los materiales. Guía 3 9 Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo:.doc o.docx, solo si es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las firme el docente, haciendo constar de que fue recibido. TOTAL - 10 % por cada día de retraso. 100 El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.